森林消防機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

徐振亞，姜樹海

（1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué) 智能控制與機(jī)器人技術(shù)研究所，南京 210037）

0 引言

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，對森林生態(tài)系統(tǒng)和人類都具有巨大破壞力的自然災(zāi)害。森林火災(zāi)發(fā)生突然，蔓延速度快，火災(zāi)的撲滅也顯得格外困難[1]。即使在火災(zāi)撲滅之后，也必須進(jìn)行余火清理工作，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和徹底清理隱燃的余火，特別是肉眼難以發(fā)現(xiàn)的無煙的隱燃火才能夠更好地避免發(fā)生余火復(fù)燃。然而，長期以來，人工進(jìn)行森林余火探測與清理的效率低下并且危險(xiǎn)系數(shù)很高[2]，為提高探測余火的效率和避免不必要的損失，需要一種有效的、快速的余火探測及清理裝備，研制能夠在森林地形條件下進(jìn)行火災(zāi)探測和清理等消防作業(yè)的移動(dòng)消防機(jī)器人非常重要[3,4]。從目前來看，消防機(jī)器人的研究主要在地表相對規(guī)律的高層建筑，地鐵隧道及地下建筑等場合中，從機(jī)動(dòng)形式來看，一般履帶式、輪式較多，且體型較大。在森林消防場合，由于森林的地形復(fù)雜多變，地面不同于城市結(jié)構(gòu)的平坦地勢，灌木叢、溝壑、斜坡等地形環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響消防機(jī)器人的前進(jìn)效率，因此，研制能夠在森林地形環(huán)境下有效地完成消防作業(yè)的機(jī)器人具有重要的實(shí)際意義[5-8]。

筆者所在的課題組開展了仿生甲蟲機(jī)器人相應(yīng)的研究工作，六足仿生機(jī)器人具有更好地適應(yīng)森林的地面環(huán)境的能力[9]。機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)采用六足仿生結(jié)構(gòu)，機(jī)器人在行進(jìn)路程中不可避免地會(huì)遇到障礙物，這時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以對障礙物進(jìn)行清理工作，提升機(jī)器人的移動(dòng)速度，擴(kuò)大其移動(dòng)空間范圍，保證機(jī)器人在發(fā)現(xiàn)余火跡象時(shí)能及時(shí)地趕往復(fù)燃點(diǎn)，將燃燒物熄滅或?qū)㈦y以熄滅的物體移至火線外安全范圍進(jìn)行滅火處理，實(shí)現(xiàn)森林余火的徹底清除[10,11]。本文將主要進(jìn)行林火探測清理機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性與正確性，并用ADAMS軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

森林消防機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)搭載在六足移動(dòng)平臺(tái)上，在機(jī)器人行走時(shí)對路障進(jìn)行探測清理工作[12]，根據(jù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)所允許的操作空間進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

要確定一個(gè)障礙物在空間的具體位置需要知道它沿三個(gè)直角坐標(biāo)軸的移動(dòng)自由度和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此將執(zhí)行機(jī)構(gòu)確定為六自由度。執(zhí)行機(jī)器人最大伸展長度（末端執(zhí)行器中點(diǎn)與底座中點(diǎn)的水平距離）為1900mm，高度為460mm，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?？傮w結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由底座將執(zhí)行機(jī)構(gòu)與移動(dòng)平臺(tái)相連，末端執(zhí)行器裝有鋸片，通過切割作業(yè)進(jìn)行除障清理。執(zhí)行結(jié)構(gòu)可以簡化成為串聯(lián)末端無約束的開放式連桿結(jié)構(gòu)，六自由度串聯(lián)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程更加簡單可靠[13]。機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配時(shí)需要較高的裝配及加工精度以保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要由底座、腰部、大臂、小臂、手腕和末端執(zhí)行器六部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2～圖7所示。

圖2 底座結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2所示為底座，長400mm，寬400mm，由八根螺栓固定在六足移動(dòng)平臺(tái)中心。作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的承載機(jī)構(gòu)，底座具有很高的剛度及穩(wěn)定性。底座中心裝有電機(jī)，作為腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力。

圖3 腰部結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3腰部為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)部件，可繞底座進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與手臂的平面運(yùn)動(dòng)使機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間操作。腰部由六顆螺栓安裝在底座電機(jī)減速器輸出法蘭上，腰部的制造精度及平穩(wěn)性對機(jī)器人的定位精度有著決定性影響。

圖4大臂連接腰部與小臂，倆端軸心距離為600mm，大臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)俯仰運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，安裝在腰部電機(jī)減速器法蘭上。

圖4 大臂結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 小臂結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5小臂為執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞軸向力的關(guān)鍵關(guān)節(jié)。小臂后端裝有電機(jī)，通過小臂內(nèi)部齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)手腕進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)布置于小臂后方方便安裝，且加強(qiáng)小臂結(jié)構(gòu)的剛度，為探測裝置提供布線空間及穩(wěn)固平臺(tái)。

圖6 手腕結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6手腕與末端執(zhí)行器相連，可以繞小臂軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到預(yù)定姿態(tài)，頂部裝有電機(jī)，驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器。

圖7 末端執(zhí)行器參數(shù)

圖7末端執(zhí)行器由兩關(guān)節(jié)組成，其中一關(guān)節(jié)與手腕相連進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一關(guān)節(jié)末端裝有鋸片，以進(jìn)行除障清理工作。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，首先將機(jī)器人結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為物理模型。這里選用經(jīng)典的D-H矩陣法則[14]，建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)的D-H坐標(biāo)系，如圖8所示。

圖8 機(jī)器人D-H矩陣坐標(biāo)系

定義連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)描述如下：ai表示相鄰關(guān)節(jié)沿xi軸方向Zi-1軸與Zi軸的長度，αi表示相鄰關(guān)節(jié)Zi-1軸到Zi軸繞Xi-1的轉(zhuǎn)角，di表示xi-1軸到xi沿Zi-1的距離，θi表示xi-1軸到xi軸繞Zi-1的轉(zhuǎn)角，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 各桿件D-H參數(shù)

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解

運(yùn)動(dòng)學(xué)正解就是在已知θ的情況下求解末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對于參考坐標(biāo)系的位姿，以齊次變換矩陣表示相鄰連桿i-1與i的變換關(guān)系，四次變換的齊次矩陣分別是：

1）繞xi-1軸旋轉(zhuǎn)

2）沿xi-1軸平移

3）繞zi軸旋轉(zhuǎn)θi：

4）沿zi軸平移di：

由式(1)～式(4)D-H齊次變換矩陣為：

將表1中的數(shù)據(jù)代入D-H齊次變換矩陣，將單次變換定義為An則機(jī)械臂相對于參考坐標(biāo)系的總變換為：

式中：

若機(jī)器人處于圖8所示的狀態(tài)，將d、θ代入得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端的坐標(biāo)為（0，a2，d1+d3+d4），結(jié)果與圖示情況吻合，驗(yàn)證了齊次方程的正確性。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)反解

運(yùn)動(dòng)學(xué)反解就是在已知末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要達(dá)到的位置的基礎(chǔ)上求解各關(guān)節(jié)的θ值，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程式(6)兩邊同乘以A1-1得：

展開得：

通過以上求解，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要達(dá)預(yù)定位置會(huì)有多組解，需要根據(jù)實(shí)際操作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，機(jī)器人根據(jù)給出的θ值調(diào)整各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度以達(dá)到指定位置。

3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真

在SolidWorks中完成模型和的建立，并將模型轉(zhuǎn)換為parasolid格式導(dǎo)入ADAMS軟件中[15]，設(shè)置仿真時(shí)間為8S，步數(shù)為500，模擬模型在高點(diǎn)低點(diǎn)的作業(yè)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)函數(shù)在ADAMS后處理模塊中將末端點(diǎn)的位移，速度，加速度等信息如圖9～圖12所示。

圖9 末端點(diǎn)位移曲線

圖10 末端點(diǎn)速度曲線

圖11 末端點(diǎn)加速度曲線

圖12 末端點(diǎn)角加速度曲線

3.2 仿真分析

根據(jù)各關(guān)節(jié)所加載的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，函數(shù)驅(qū)動(dòng)模型從初始位置到最高作業(yè)位置到最低作業(yè)位置再返回原位，各關(guān)節(jié)具體運(yùn)動(dòng)如下，0～2s第1關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)動(dòng)90°；2～4s逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)-90°，第2關(guān)節(jié)在2～4s轉(zhuǎn)動(dòng)70°，第3，4，5，6關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)90°；4～6s第1，2，5關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)-90°，第3，4，6關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)90°；6～8s第1，2，5關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，

【】【】第3，4，6關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)-90°。從圖9～圖12可以看出，x軸方向的位移變化主要發(fā)生在第2～4s，y軸方向的位移變化主要在4～6s，z軸方向的位移變化主要發(fā)生在第2～6s，這表明大臂小臂主要起到調(diào)節(jié)高度的作用，第3，4關(guān)節(jié)在第6～8s內(nèi)主要是起到輔助調(diào)整姿態(tài)的作用。曲線10顯示末端點(diǎn)在第2.5s時(shí)達(dá)到最大速度，實(shí)際操作過程中可以優(yōu)化各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)的角度以減小末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角加速度。由曲線圖可知，機(jī)器人手臂在整個(gè)軌跡運(yùn)動(dòng)過程中，速度變化都比較平穩(wěn)，無劇烈振動(dòng)現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過對消防機(jī)器人在森林環(huán)境中的行走的除障清理需求分析，提出了一種森林消防機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的解決方案。完成了消防機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并且利用SolidWorks構(gòu)造了單臂三維模型，給出了各關(guān)節(jié)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)圖。建立了D-H坐標(biāo)系，對機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。最后基于ADAMS對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果表明機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足作業(yè)需求。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真驗(yàn)證了該方案的正確性和可行性，為后續(xù)機(jī)械臂的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。未來將在提高結(jié)構(gòu)剛度，簡化模型結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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